基于支持向量機(jī)的沼氣中CH4濃度預(yù)測

摘要：組建了沼氣檢測的實驗系統(tǒng)，采用國家標(biāo)準(zhǔn)混合氣獲取大量的濃度標(biāo)定數(shù)據(jù)，分析了目前廣泛應(yīng)用的甲烷濃度預(yù)測算法及影響預(yù)測結(jié)果的因素，討論了支持向量機(jī)在CH4濃度預(yù)測中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上研究了將多通道探測器的電壓輸出及環(huán)境溫度共同作為支持向量機(jī)的輸入，實現(xiàn)CH4濃度的預(yù)測。將該方法與線性插值法、多項式回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等多種方法進(jìn)行比較，預(yù)測結(jié)果的平均絕對誤差減小了0.44％～1.99％。初步試驗結(jié)果表明該方法在CH4濃度檢測中具有一定的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：沼氣；CH4；濃度預(yù)測；SVM

0 引言
沼氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、綠色、環(huán)保的燃料。沼氣由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(CO2)、0％～5％氮?dú)?N2)、0．1％～3％硫化氫(H2S)等氣體組成。當(dāng)較多的沼氣泄露在生活環(huán)境中時，有可能令人窒息；沼氣使用中，CH4濃度在5％～15％之間時，會有爆炸的危險；CH4濃度低于50％，就不能正常燃燒。因此，對沼氣中CH4濃度預(yù)測進(jìn)行研究，顯得非常必要。
基于不同工作原理，現(xiàn)有的CH4濃度檢測方法主要有：奧式氣體檢測法、催化燃燒法、紅外光譜檢測法。目前沼氣中CH4濃度預(yù)測較多地采用紅外多波長法。但該方法也會帶來新的問題。例如：當(dāng)檢測沼氣中CH4濃度時，沼氣中較多的CO2會對CH4通道和參考通道的輸出帶來影響，從而影響CH4的預(yù)測精度，所以本文討論利用數(shù)據(jù)處理的方法提高CH1濃度預(yù)測精度。
目前，常用的CH4濃度預(yù)測算法有線性插值法、多元回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(Neural Network，NN)。其中，線性插值法與多元回歸法為傳統(tǒng)算法，精度低；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的樣本才能擬合出較好的模型，且容易陷入局部極小值點(diǎn)。本文所探討的支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)專門解決小樣本問題，以結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化為原則尋找全局最優(yōu)解。
在預(yù)測沼氣中CH4濃度時，本文首次嘗試把溫度作為影響探測器輸出的重要因素，引入溫箱控制探測器的環(huán)境溫度，以獲取不同溫度下的693個樣本，把溫度和探測器的輸出作為SVM的輸入，建立CH4預(yù)測模型，得到理想的預(yù)測精度。

1 支持向量機(jī)簡介
SVM是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原則，大大提高了學(xué)習(xí)機(jī)的泛化能力，它將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解一個凸二次規(guī)劃的問題，二次規(guī)劃所得的解是惟一的且為全局最優(yōu)解，這樣就不存在一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部極值問題。
回歸型支持向量機(jī)(SVR)是支持向量機(jī)在回歸學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，其基本思想是：對于給定的訓(xùn)練樣本點(diǎn){(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)}通過SVR訓(xùn)練回歸出一個函數(shù)f(x)，使由該函數(shù)求出的每個輸入樣本的輸出值和輸入樣本對應(yīng)的目標(biāo)值相差不超過誤差e，同時使回歸出的函數(shù)盡量平滑，能克服傳統(tǒng)的線性插值法、多元回歸法預(yù)測精度低的缺點(diǎn)，解決高濃度CO2對CH4通道和參考通道的輸出帶來的影響，且較NN有更好的推廣能力。另外，溫度對氣體探測器的輸出有一定的影響，本文研究了將溫度作為模型的輸入之一，同時將多通道探測器的電壓輸出作為SVM的輸入，實現(xiàn)CH4濃度預(yù)測。

2 實驗數(shù)據(jù)的獲取
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與紅外多波長探測簡介
硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼瓶里的高壓標(biāo)準(zhǔn)氣CH4經(jīng)過減壓閥減壓后，通過氣體管道流向配氣箱里的流量計1，配氣箱經(jīng)自帶的電腦軟件進(jìn)一步控制并計量流量計1內(nèi)氣體的流速，流出配氣箱以后，與經(jīng)過流量計2，3的CO2，N2(稀釋作用，非異核分子，對CH4通道影響小)進(jìn)行定比混合，再進(jìn)入溫箱，溫箱里的沼氣檢測電路板包括多通道探測器(CH4，CO2)，參考端)和相應(yīng)的信號處理電路，氣體經(jīng)過檢測氣室以后，排到通風(fēng)櫥。